（电力电子与电力传动专业论文）无位置传感器无刷直流电机调速系统研究.pdf

西 北 业 人学 h i 卜 论 丈 电机定子绕组电流的单电流传感器检测方案，介绍 了软件的实现方法;最后， 针对双闭 环运算中不同数 据类型的差异， 提出了 所有数据统一量化的解决方案， 并给出转换公式，同时介绍了引入积分分离闽值的增量式速度 i 调节算法。 文帝的实验部分通过对在不同转速 下 电机反电动势和定子绕组电流的波 形图以及位置检测电路的输出波形进行分析，验证 了系统设计的合理性和运行 的正确性。结论部分分析了此次设计中存在的不足和问题，为后续的研究工作 指明了方向。 关键词:永磁无刷直流电动机无位置传感控制闭环调速系统数字信号处 理器反电势过零检测 西北下业大学4 4 i 沦丈 a b s t r a c t t h i s p a p e r f o c u s e d o n t h e d e s i g n a n d r e a l i z a t i o n o f s p e e d c o n t r o l s y s t e m o f s e n s o r l e s s p e r m a n e n t m a g n e t b r u s h l e s s d c m o t o r ( b l d c ) b a s e d o n d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) . a n d a c l o s e - l o o p s p e e d c o n t r o l s o l u t i o n b a s e d o n d s p t ms 3 2 0 f 2 4 0 a n d s e n s o r l e s s c o n t r o l m e t h o d o f b a c k - e mf z e r o - c r o s s i n g f o r p e r m a n e n t m a g n e t b l d c mo t o r s i n c l u d i n g s t a t o r c u r r e n t a n d r o t o r s p e e d f e e d b a c k s w a s a l s o p r e s e n t e d . b y i n v e s t i g a t i n g a n d a n a l y z i n g t h e p r o b l e m s e m e r g e d d u r i n g t h e s y s t e m d e s i g n i n g p r o c e s s , d i f f e r e n t s o l u t i o n s h a d b e e n p r o v i d e d . ( 1 ) t h e f a c t t h a t a c t u a l p h a s e - d e l a y a n g l e a o f l o w - p a s s f i l t e r m a y e x c e e d 3 0 0 i n h i g h s p e e d w i l l c o n fl i c t w i t h t h e d e m a n d o f t h e s e n s o r l e s s c o n t r o l m e t h o d t h a t a m u s t b e w i t h i n 3 0 0. a s a r e s u l t , a h a r d w a r e s o l u t i o n b a s e d o n t w o o r d e r l p f a n d s l u g g i s h v o l t a g e c o mp a r a to r w a s p r e s e n t e d . a f t e r e s t a b l i s h i n g t h e t r a n s f e r f u n c t i o n o f t h i s c a c u i t , a g r o u p o f d e s i r a b l e d e v i c e p a r a me t e r s h a d b e e n a c q u i r e d b y m a k i n g c i r c u i t s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t i n g . ( 2 ) t o f u l f i l l t h e r e q u i r e m e n t o f t h e p o w e r m o d u l e i n t h i s s y s t e m , t h i s p a p e r e x p a t i a t e d o n t h e p r i n c i p l e o f s w i t c h - p o w e r u s e d i n t h i s s y s t e m a s w e l l a s i t s r e a l i z a t i o n w i t h t o p 2 2 3 s w it c h - p o w e r i c . t h e s e l e c t i o n m e t h o d o f d e v i c e p a r a m e t e r w a s a l s o g i v e n . ( 3 ) wi t h t h e h i g h r e l i a b i l i t y a n d r e a l - t i m e d e m a n d o n s y s t e m s o f t w a r e , t h r e e r u n n i n g s t a t e s o f m a i n p r o g r a m w e r e d e s i g n e d . t h e w a y t o s w i t c h b e t w e e n d i f f e r e n t s t a t e s w a s a l s o p r e s e n t e d . 八 n d t h e b a s i c t i m i n g o f m a i n p r o g r a m w a s p r o v i d e d b y t h e p wm p e r i o d in t e r r u p t i o n o f t ms 3 2 0 f 2 4 0 . ( 4 ) t o d e a l w i t h t h e p r o b le m s e n c o u n t e r e d i n t h e b l d c o p e n - l o o p s t a rt i n g s t a g e s , a r o t o r p r e - o r i e n t a t i o n m e t h o d c o m b i n e d w i t h s t a t o r p h a s e c u r r e n t m e a s u r e m e n t w a s p r e s e n t e d . a r o t o r s p e e d u p p r o g r a m w a s d e s i g n e d b y m o d i f y i n g t h e p wm o u t p u t u n i t o f r m s 3 2 0 f 2 4 0 d i r e c t l y a n d c h a n g i n g t h e p h a s e s w i t c h d e l a y t i m e w i t h s p e e d . a f t e r a n a l y z i n g t h e s w i t c h i n g s t a g e s b e t w e e n i n n e r a n d o u t e r s y n c h r o n i z a t i o n , a p r o g r a m w a s d e s i g n e d t o f i n d t h e b e s t s w i t c h i n g t im e a n d t h e m 西北f 业人学倾 卜 论文 s o f t w a r e j u d g m e n t m e t h o d o f s w i t c h i n g t i m e w a s a l s o g i v e n . ( 5 ) i n a l l u s i o n t o t h e k e y p r o b l e m s m e t i n t h e r e a l i z a t i o n o f c l o s e - l o o p s p e e d c o n t r o l i n c l u d i n g r o t o r s p e e d a n d s t a t o r c u r r e n t f e e d b a c k s , a p h a s e c o m p e n s a t i o n m e t h o d u s i n g p wm p e r i o d i n t e r r u p t i o n t i m e a s t h e b e n c h m a r k t i m e f o r c o m p e n s a t i o n , a s w e l l a s t h e c o n v e r s i o n e x p r e s s i o n s b e t w e e n p h a s e c o m p e n s a t i o n a n g l e s a n d d e l a y t i m e t d w e r e p r e s e n t e d . t h e c a l c u l a t i o n m e t h o d o f r o t o r s p e e d u s i n g i n t e r v a l t i m e b e t w e e n s t a t o r p h a s e a l t e rn a t i o n w a s a l s o g i v e n . b y a n a l y z i n g t h e c o n n e c t i o n b e t w e e n g e n e r a t r i x c u r r e n t o f i n v e r t e r a n d p h a s e c u r r e n t i n d i f f e r e n t p wm s t a g e s o f b l d c m o t o r s , a s t a t o r c u r r e n t m e a s u r e me n t s o l u t i o n u s i n g a s i n g l e c u r r e n t s e n s o r a n d i t s s o f t w a r e r e a l i z a t i o n w e r e d e s c r i b e d . a t l a s t , t o e l i mi n a t e t h e d i ff e r e n c e s b e t w e e n v a r i o u s d a t a t y p e , a g e n e r a l iz e d d a t a c o n v e r s i o n m e t h o d a n d i t s f o r m u l a w e r e p r o v i d e d . m e a n w h i l e , a n i n c r e m e n t a l p i a r i t h m e t i c i n c l u d i n g i n t e g r a l s e p a r a t i n g w a s i n t r o d u c e d . i n t h e e x p e r i m e n t a l p a r t o f t h i s p a p e r , d i f f e r e n t w a v e f o r m s o f b l d c mo t o r s u n d e r d i ff e r e n t c i r c u ms t a n c e s w e r e g i v e n . t h e c o r r e c t n e s s o f t h i s s y s t e m h a d b e e n p r o v e d b y a n a l y z i n g t h e w a v e f o r m s . t h e c o n c l u s i o n p a rt o f t h i s p a p e r p r e s e n t e d t h e s c a r c i t y a n d l i m i t a t i o n o f t h e s y s t e m a n d s h o w s t h e d i r e c t i o n f o r f u t u r e r e s e a r c h w o r k. k e y w o r d s : p e r m a n e n t m a g n e t b r u s h l e s s d c mo t o r s , s e n s o r l e s s c o n t r o l , c l o s e - l o o p s p e e d c o n t r o l s y s t e m , d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r , b a c k - e m f z e r o c r o s s i n g me t h o d 西i l 业火学硕 卜 学位论 毛 第一章 绪论 无刷直流电动 机系统的研究发展 状况 ( i l -v i 旱在1 9 1 7 年， b o i i i g e r 就提出用整流管代件有刷直流电 动机的 机械电刷， 从而诞生了无刷直流电动机的基本思想。 1 9 5 年， 美国的 d . h a r r i s o n 等人首次 申 请了用晶体管换向 线路代替有刷电 动机机械电刷的专利，标志着现代无刷直 流电动机的诞生。 直流无刷电动机由一台永磁同步电动机的本体， 一套电子换向开关电路( 又 称逆变器 ) ， 和一套转子位置传感器所组成。 其机械特性与普通直流电动机相类 似，既在性能上保持了普通直流电动机的优点，又克服了其缺点。无刷直流电 动机通常采用永磁体转子， 没有励磁损耗: 发热的电 枢绕组装在外面的定子上， 热阻小、散热容易。因此，无刷直流电动机具有无换向火花、电磁噪声少、体 积小、重量轻、维护方便以及高效节能等一系列优点。 无刷直流电动机系统按其反电势的波形和绕组电流的波形可分为两大类: 方波无刷直流电动机系统和正弦波无刷 直 流电动机系统。 方波无 刷直流电动机系统，国际上 习 惯称之为b r u s h l e s s d c m o t o r ( b l d c m ) 系统。 它是无刷直流电动机系统的最初形式。 上世纪6 0 年代末至 7 0 年代初， 方波无刷直流电 动机系 统一般采用光敏元 件和遮光板作位置传感器，采 用三相 半桥 1 2 0 。导通驰动方式。 由于受功率开关器件、 永磁材料和驱动控制技术发展 水平的制约，这一时期的无刷直流电动机系统并为进入实用阶段。 正弦波无刷直流电动机系统是在永磁同步电动机的基础 上 演变过来的。最 初，人们利用永磁体代替同步电动机的励磁线圈和滑环，研制出永磁同步电动 机。为了能够自启动，常在转 子表面附加 一 个鼠笼或特殊的转子结构和磁滞层， 以增加异步转矩。随着变频技术发展，永磁同步电动机的起动主要靠变频起动， 附加鼠笼已没育必要，随之而来的是水磁同步电功机结构形式的简化 卜 世纪 7 0年代末至 8 0年代初，山于高性能、低成本的第 犷 代i k 磁材料的 出现，以及大功率、全控功率器件的出现，使 龙 刷直流电动机系统获得了迅速 的发展。从这 - i付期开始，无刷1-l . 流电动机 未 统泛采川.佰 磁能积、r li 娇顽力、 西i l 业火学硕 卜 学位论 毛 第一章 绪论 无刷直流电动 机系统的研究发展 状况 ( i l -v i 旱在1 9 1 7 年， b o i i i g e r 就提出用整流管代件有刷直流电 动机的 机械电刷， 从而诞生了无刷直流电动机的基本思想。 1 9 5 年， 美国的 d . h a r r i s o n 等人首次 申 请了用晶体管换向 线路代替有刷电 动机机械电刷的专利，标志着现代无刷直 流电动机的诞生。 直流无刷电动机由一台永磁同步电动机的本体， 一套电子换向开关电路( 又 称逆变器 ) ， 和一套转子位置传感器所组成。 其机械特性与普通直流电动机相类 似，既在性能上保持了普通直流电动机的优点，又克服了其缺点。无刷直流电 动机通常采用永磁体转子， 没有励磁损耗: 发热的电 枢绕组装在外面的定子上， 热阻小、散热容易。因此，无刷直流电动机具有无换向火花、电磁噪声少、体 积小、重量轻、维护方便以及高效节能等一系列优点。 无刷直流电动机系统按其反电势的波形和绕组电流的波形可分为两大类: 方波无刷直流电动机系统和正弦波无刷 直 流电动机系统。 方波无 刷直流电动机系统，国际上 习 惯称之为b r u s h l e s s d c m o t o r ( b l d c m ) 系统。 它是无刷直流电动机系统的最初形式。 上世纪6 0 年代末至 7 0 年代初， 方波无刷直流电 动机系 统一般采用光敏元 件和遮光板作位置传感器，采 用三相 半桥 1 2 0 。导通驰动方式。 由于受功率开关器件、 永磁材料和驱动控制技术发展 水平的制约，这一时期的无刷直流电动机系统并为进入实用阶段。 正弦波无刷直流电动机系统是在永磁同步电动机的基础 上 演变过来的。最 初，人们利用永磁体代替同步电动机的励磁线圈和滑环，研制出永磁同步电动 机。为了能够自启动，常在转 子表面附加 一 个鼠笼或特殊的转子结构和磁滞层， 以增加异步转矩。随着变频技术发展，永磁同步电动机的起动主要靠变频起动， 附加鼠笼已没育必要，随之而来的是水磁同步电功机结构形式的简化 卜 世纪 7 0年代末至 8 0年代初，山于高性能、低成本的第 犷 代i k 磁材料的 出现，以及大功率、全控功率器件的出现，使 龙 刷直流电动机系统获得了迅速 的发展。从这 - i付期开始，无刷1-l . 流电动机 未 统泛采川.佰 磁能积、r li 娇顽力、 西-i t 业友学倾 卜尹 f 立 论文 低成本的第三代致铁硼永磁材料，并采用霍尔元件作为位置传感器，用三相全 桥驱动方式以 提高 输出力矩，使其更加 实用。 1 9 8 6 年， 1 1 . r . b o i t o 。 对方波无刷 直流电动机系统进行了全面的总结，该文献标志着方波无刷直流电动机系统在 理沦上、驱动控制方法_ l 己基本成熟。 进入 上 世纪9 0年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善， 特别是数 铁硼的热稳定性和耐腐蚀性的改善以及电力电子技术的进 一 步发展，加 l 无刷 直流电动机研究和开发经验的逐步积累，无刷直流电动机技术逐步走向成熟， 使无刷直 流电 动机的 应用、开发进入一 新阶段，具有如 特点: 1 ) 无 刷直流电 动机应用范围开始拓广到高温、高真空度或空间 狭小等 特 殊场合。 2 ) 无刷直流电动机系统发展趋势将逆变驱动器装入电机内部，使之成为 一体，做到系统总体小型化。 3 ) 无刷直流电动机正朝着微型化和超微型化发展。 4 ) 无刷直流电动机己山传统的三相发展为五相、六相等多相化电机。 5 ) 无刷直流电动机正朝着高转矩、大推力、大功率方向发展。 综上所述 ，在电机理论和其它相关技术发展的推动下，无刷直流电动机的 概念己由最初特指的具有电子换向的直流电动机发展为泛指一切具有有刷直流 电动机外部特征的电子换向式永磁电动机 。无刷直流电动机的发展也促使电机 理论与电力电子技术、微电子技术、计算机技术、现代控制理论及高性能材料 的紧密结合。如今，无刷直流电动机集特种电机、变流机构、检测元件、控制 软件和硬件于一体，形成新 一代电动伺服系统，体现着当今应用科学的最新成 果，是机电 一 体化的新技术产物。 b l d c 调速系统的研究动向 18 1 - 12 0 1 现代电力电 f - 技术、微电 子 技术、以及 动控制理论的 吃 速发展，为无刷 直流电动机的应用推i ” 创造 了有利的条件， 以b l d g为核心的调速系统研究也引 起国内外学者的广泛关注。 综 合国内外的研究z 献可以发现， 如今的 b l d g调速 系统的热点研究动向包括:精确的电流扛 ; 制i f 法、转知脉动的抑制无传感器 西-i t 业友学倾 卜尹 f 立 论文 低成本的第三代致铁硼永磁材料，并采用霍尔元件作为位置传感器，用三相全 桥驱动方式以 提高 输出力矩，使其更加 实用。 1 9 8 6 年， 1 1 . r . b o i t o 。 对方波无刷 直流电动机系统进行了全面的总结，该文献标志着方波无刷直流电动机系统在 理沦上、驱动控制方法_ l 己基本成熟。 进入 上 世纪9 0年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善， 特别是数 铁硼的热稳定性和耐腐蚀性的改善以及电力电子技术的进 一 步发展，加 l 无刷 直流电动机研究和开发经验的逐步积累，无刷直流电动机技术逐步走向成熟， 使无刷直 流电 动机的 应用、开发进入一 新阶段，具有如 特点: 1 ) 无 刷直流电 动机应用范围开始拓广到高温、高真空度或空间 狭小等 特 殊场合。 2 ) 无刷直流电动机系统发展趋势将逆变驱动器装入电机内部，使之成为 一体，做到系统总体小型化。 3 ) 无刷直流电动机正朝着微型化和超微型化发展。 4 ) 无刷直流电动机己山传统的三相发展为五相、六相等多相化电机。 5 ) 无刷直流电动机正朝着高转矩、大推力、大功率方向发展。 综上所述 ，在电机理论和其它相关技术发展的推动下，无刷直流电动机的 概念己由最初特指的具有电子换向的直流电动机发展为泛指一切具有有刷直流 电动机外部特征的电子换向式永磁电动机 。无刷直流电动机的发展也促使电机 理论与电力电子技术、微电子技术、计算机技术、现代控制理论及高性能材料 的紧密结合。如今，无刷直流电动机集特种电机、变流机构、检测元件、控制 软件和硬件于一体，形成新 一代电动伺服系统，体现着当今应用科学的最新成 果，是机电 一 体化的新技术产物。 b l d c 调速系统的研究动向 18 1 - 12 0 1 现代电力电 f - 技术、微电 子 技术、以及 动控制理论的 吃 速发展，为无刷 直流电动机的应用推i ” 创造 了有利的条件， 以b l d g为核心的调速系统研究也引 起国内外学者的广泛关注。 综 合国内外的研究z 献可以发现， 如今的 b l d g调速 系统的热点研究动向包括:精确的电流扛 ; 制i f 法、转知脉动的抑制无传感器 i! 4比下业)沂 硕 _ 学位论c 控制技术、高性能的速度调节以及实现技术等。 1 、电流控制方法 精确的电流控制是实现高性能调速系统的关键。常用的无刷直流电动机电 流控制方法包括:电流滞环控制、 高 增益电流调节p w ? a 控制 ( c r p w m )和变结构 ( v a r i a b l e s t r u c t u r e ) 控制等。文 献 【 9 】 提出了建立在空间矢量概念基 础_ l 的矢量p w n 和平均电压 p w m 控制法， 但该 方法对系统参 数有较强的依赖性，计 算量也较大。文献 【 1 0 1提出了用滞回比较器比较参考电流和电机相电流，其 比较输出控制逆变器开关管导通的控制方法，其缺点为调节到期望的动态响应 和稳态特性较为困难。 文献 【 1 1 1 提出了建立在 d q旋转坐标系的变结构控制策 略，直接产生适用于数字信号处理器的开关矢量，并通过改变控制函数为连续 函数获得了较好的控制效果。 2 、转矩脉动抑制法 无刷直流电动机存在的转矩脉动问题一直为其在交流传动系统得到广泛应 用的主要障碍之一。引起 b l d g 转矩脉动的因素很多，由电机制造引起的原因包 括齿槽效应和磁通突变，由电 机控制引 起的原因包括电 流调节的误差和电 机定 子绕组的重叠换相。国内外对于转矩脉动抑制研究持续不断，并己有不少研究 成果。如文献 【 1 2 1 1 1 3 】都对转矩脉动问题做了深入的分析，并取得了一定的 成果。 3 、无位置传感器控制法 从控制系统的成本、维护性、 可靠性等方面考虑，无传感器的调速系统对提 高系统可靠性和对环境的适应性具有更重要的意义。转子位置的准确检测是电 机进行正确换相的基础，所以检测精度的高低将直接影响电机转矩的输出。国 内外在该领域的研究热点集中在无位置传感器b l d c 的各种智能控制方法和辨识 算法的研究。文献 1 1 i1 】采川扩展的卡尔x辨识算法对转速 与转子位置进行实 时估计;文献 【 1 0 1提出了种通过对电机定子绕组侮两相中注入电流脉冲序 列的方法来检测电机转 子 位胃的勺法:交献 1 1 6 1采用换流观测与自适应速度 估计相结合的办法来洁计转速 。 转 t 位r .丈献 1 1 1 1通过建一新的电机磁通 函数甘出了独立的速度函数，从f il l 有效扩 一 展 了 无位置传感器b l d c的调速范围 夕 v ul i 业人学i ll! ! 学位i t文 在所有的转子位置检测方法中， 通过测出各相反电动势的过零点来获得 b l d g 所 需的六个 转子关 键位置 信号 的反电 势法原理简单， 易于 实现， 但由 于b l d c 在启 动和低速运转时无反电势信号， 因此还需提出无位置传感器 b l d g 低速启动时的 解决方案，文献 【 1 8 1提出的三段式启动技术较好地解决了这 一 问题。 1 、速度估算法和高性能速度调节器 有位置传感器 b l d c一般采用光电脉冲发生器测速，并由微处理器对脉冲信 号 进行数值处理， 得到当前速度反馈值。 影响速度检测性能地因素主要有两个， 一是系统硬件本身，包括光电脉冲发生器和微处理器的精度，二是速度估算方 法。在硬件本身不能变动的情况下，寻找较优的速度估计算法，是提高检测性 能一个有效途径:另外一个途径就是速度观测器的研究。 速度调节为做 到兼顾速度调节的准确性、 快速性和对参数的鲁棒性。 采用的 控制算法包括: 数字 p i d 调节器及其改进算法、 模糊 p i d 组合控制、自适应 p i d 控制、 模型参考自 适应控制、模糊与神经网络相结合控制等。 b l d c 调 速系统的 另一研究热点为拓展其调速范围，文献 1 9 1 2 0 】分别从理论和实践两个方面 对b l d c的弱磁调速进行了研究，并取得一定的成果。 3课题背景和 选题意义2 1 1 - 2 2 1 上世纪9 0年代开始， 国外压缩机制造商开展了无刷直流电动机应用于压缩 机上的工作，研制变频压缩机，9 0 年代后期逐渐形成商业化生产能力。国内压 缩机厂商对变频压缩机研发只是近几年才进行，但变频压缩机市场化乃是发展 的必然趋势。无刷直流电动机在新一代冰箱、空调器的应用也必然有巨大的市 场， 如日 本家用变频空调的市场占 有率由1 9 9 7 年的7 2 % 上 升到2 0 0 2 年的9 6 % , 这 一 动态已引起业内人士的广泛关注。 本课题紧扣行业热点，以研制全数字式空调压缩机用无位置传感器水磁无 刷 i. 流电动机调速系统为研究1 1 标课题采用反电动势过零检测法对转 子 位胃 进行检测，并用 丁 ! 公司的 i m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 芯片作为 主 控单) l 来， 日 戊， 扛 机转速 的闭环调节功能，研究的意义如 卜 : i 、 v i 高 了系统i ii 靠性与 有位置传感器的无刷k 1. o il 八 流电机相比无位置 v ul i 业人学i ll! ! 学位i t文 在所有的转子位置检测方法中， 通过测出各相反电动势的过零点来获得 b l d g 所 需的六个 转子关 键位置 信号 的反电 势法原理简单， 易于 实现， 但由 于b l d c 在启 动和低速运转时无反电势信号， 因此还需提出无位置传感器 b l d g 低速启动时的 解决方案，文献 【 1 8 1提出的三段式启动技术较好地解决了这 一 问题。 1 、速度估算法和高性能速度调节器 有位置传感器 b l d c一般采用光电脉冲发生器测速，并由微处理器对脉冲信 号 进行数值处理， 得到当前速度反馈值。 影响速度检测性能地因素主要有两个， 一是系统硬件本身，包括光电脉冲发生器和微处理器的精度，二是速度估算方 法。在硬件本身不能变动的情况下，寻找较优的速度估计算法，是提高检测性 能一个有效途径:另外一个途径就是速度观测器的研究。 速度调节为做 到兼顾速度调节的准确性、 快速性和对参数的鲁棒性。 采用的 控制算法包括: 数字 p i d 调节器及其改进算法、 模糊 p i d 组合控制、自适应 p i d 控制、 模型参考自 适应控制、模糊与神经网络相结合控制等。 b l d c 调 速系统的 另一研究热点为拓展其调速范围，文献 1 9 1 2 0 】分别从理论和实践两个方面 对b l d c的弱磁调速进行了研究，并取得一定的成果。 3课题背景和 选题意义2 1 1 - 2 2 1 上世纪9 0年代开始， 国外压缩机制造商开展了无刷直流电动机应用于压缩 机上的工作，研制变频压缩机，9 0 年代后期逐渐形成商业化生产能力。国内压 缩机厂商对变频压缩机研发只是近几年才进行，但变频压缩机市场化乃是发展 的必然趋势。无刷直流电动机在新一代冰箱、空调器的应用也必然有巨大的市 场， 如日 本家用变频空调的市场占 有率由1 9 9 7 年的7 2 % 上 升到2 0 0 2 年的9 6 % , 这 一 动态已引起业内人士的广泛关注。 本课题紧扣行业热点，以研制全数字式空调压缩机用无位置传感器水磁无 刷 i. 流电动机调速系统为研究1 1 标课题采用反电动势过零检测法对转 子 位胃 进行检测，并用 丁 ! 公司的 i m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 芯片作为 主 控单) l 来， 日 戊， 扛 机转速 的闭环调节功能，研究的意义如 卜 : i 、 v i 高 了系统i ii 靠性与 有位置传感器的无刷k 1. o il 八 流电机相比无位置 两比1 业人卞倾 卜 学位论文 传感器无刷直流电动机的 卜 要优势在于电机结构简单、可靠性高、可维护性强 此外， 以d s p 为核心的全数字控制系统和用智能功率模块( i p m ) 代替传统的 i g b t 分立器件不仅简化了硬件电路，还提高 了 系统的可靠性。 2 、 降低了控制系统的硬件成本。 山于d s p 芯片其有丰富的片上资源和相对 低廉的市场价格， 使得以d s p为核心的无位置传感器 b l d c调速系统无需增加高 成本的外围芯片即可实现，从而降低了硬件成本，提高了产品的性价比。 3 、可实现复杂控制算法，智能化水平高。d s p 控制器具有运算速度快、运 算能力强的特点， 可以满足复杂算法的要求; 此外， d s p 的控制算法可通过软件 随时修改，从而增加了系统的灵活性。 4论文的工作内容和结构安排 整个论文的工作围绕着设计和实现全数字控制的无位置传感器无刷直流电 动机调速系统而展开:而设计合理的无位置传感检测、控制策略和可靠的硬件 电路是本次工作的重点;文章将围绕上述两个方面进行详细的讨论和研究。具 体论文的具体结构如下: 1 、 第二章介绍了稀土永磁无刷直流电 机的基本特性 及工作原 理、 数学模型 和常用的无位置传感器检测方法。 2 、第三章介绍了本次设计中采用的控制算法，给出系统结构图;并对设计 方案中可能出现的问题进行了讨论。 3 、第四章介绍了系统的硬件电路设计，包括电源、反电势检测和过欠压保 护和驱动电路等。 4 、第五章介绍了系统的软件设计，给出了软件算法和主要程序流程图。 5 、第六章和总结通过分析实验结果，指出了本次设计中的不足，为后续的 研究 卫 作指明方向。 了 两比1 业人卞倾 卜 学位论文 传感器无刷直流电动机的 卜 要优势在于电机结构简单、可靠性高、可维护性强 此外， 以d s p 为核心的全数字控制系统和用智能功率模块( i p m ) 代替传统的 i g b t 分立器件不仅简化了硬件电路，还提高 了 系统的可靠性。 2 、 降低了控制系统的硬件成本。 山于d s p 芯片其有丰富的片上资源和相对 低廉的市场价格， 使得以d s p为核心的无位置传感器 b l d c调速系统无需增加高 成本的外围芯片即可实现，从而降低了硬件成本，提高了产品的性价比。 3 、可实现复杂控制算法，智能化水平高。d s p 控制器具有运算速度快、运 算能力强的特点， 可以满足复杂算法的要求; 此外， d s p 的控制算法可通过软件 随时修改，从而增加了系统的灵活性。 4论文的工作内容和结构安排 整个论文的工作围绕着设计和实现全数字控制的无位置传感器无刷直流电 动机调速系统而展开:而设计合理的无位置传感检测、控制策略和可靠的硬件 电路是本次工作的重点;文章将围绕上述两个方面进行详细的讨论和研究。具 体论文的具体结构如下: 1 、 第二章介绍了稀土永磁无刷直流电 机的基本特性 及工作原 理、 数学模型 和常用的无位置传感器检测方法。 2 、第三章介绍了本次设计中采用的控制算法，给出系统结构图;并对设计 方案中可能出现的问题进行了讨论。 3 、第四章介绍了系统的硬件电路设计，包括电源、反电势检测和过欠压保 护和驱动电路等。 4 、第五章介绍了系统的软件设计，给出了软件算法和主要程序流程图。 5 、第六章和总结通过分析实验结果，指出了本次设计中的不足，为后续的 研究 卫 作指明方向。 了 西_1七l一 业大学硕 卜学位论又 第二章 永磁无刷直流电动机系统原理 2 . 1 永磁无刷直流电动机的基本组成及工作原理 永磁无 刷直流电动机的基本组成12 3 1 永磁无刷直流电动机的基本组成如图2 -1 所示，已主要山电动机主体、 转 f 位置传感器和电子开关电路三部分组成。 图 2 -1 永磁无刷直流电动机组成框图 在上述主要构成部分中，电子开关及其控制电路是用来控制电动机定子上 各相绕组的通电顺序与时间，主要由功率管、驱动电路以及位置信号处理环节 等组成。电子开关主电路有桥式和非桥式两种，其中应用最为广泛的是三相星 型六状态电路结构 ( 图2 -3 ) 。 转子位置传感器是检测转子磁极相对于定子电枢 绕组轴线的位置，并向控制器提供位置信号的一种装置， 根据工作原理的不同， 常见的有磁敏式、磁电式、光电式、机电式和接近开关等。电动机本体的定子 结构与普通的同步电动机及异步电动机相同，铁心中嵌放对称多相绕组，绕组 可接成星型或三角形，并分别与逆变器中各开关管相连接。而转子结构形式则 按稀土永磁体贴装位置不同可分为表贴永磁体转子和内嵌水磁体转 子两种，如 图 2 -2 所示。 图 2 一 刽 、 ) 所示表贴式水磁体转 子 的永磁体贴在转子表t fu ，采川这种结构 的无刷1 l 流电f i l 有利 1 - f 1 造，但在转 f - 高速旋转时水磁体容 1 11 l . 出，解决办法 为在高速运f l 的转 子 外径套 一 个 0 . 3 - - 0 . h m m的紧圈而转 r 采用图2 一2 ( b ) 所 ， 、 结构f l勺 水磁人 二 刷直流 i . 动机虽然不女 1 1 表贴水磁体转子无l u ll 自 流t ( i 动机应n l 广 第二章永磁无刷直流电动机系统原理 2 1 永磁无刷直流电动机的基本组成及工作原理 2 1 1 永磁无刷直流电动机的基本组成删 永磁无刷直流电动机的基本组成如图2 一l 所示，它主要由电动机主体、转 f 位置传感器和电子开关电路三部分组成。 图2 1 永磁无刷直流电动机组成框图 在上述主要构成部分中，电子开关及其控制电路是用来控制电动机定子上 各相绕组的通电顺序与时间，主要由功率管、驱动电路以及位置信号处理环节 等组成。电子开关主电路有桥式和非桥式两种，其中应用最为广泛的是三相星 型六状态电路结构( 图2 3 ) 。转子位置传感器是检测转子磁极相对于定子电枢 绕组轴线的位置，并向控制器提供位置信号的一种装置，根据工作原理的不同， 常见的有磁敏式、磁电式、光电式、机电式和接近丌关等。电动机本体的定子 结构与普通的同步电动机及异步电动机相同，铁心中嵌放埘称多相绕组，绕组 可接成星型或三角形，并分别与逆变器中各丌关管相连接。而转子结构形式则 按稀二卜永磁体贴装位置不同可分为表贴永磁体转子和内嵌永磁体转_ f 两种，如 图2 2 所示。 图22t a ) 所示表贴式永磁体转丁二的永磁体贴盔转f 是l 叭采川这种结构 的无刷豇流i t f u 机订利r 刨造，但在转r 高速旋转时永磁体容易时t 解决办法 为伍高速运ij + 晌转f - 9 l - 任套一个0 3 v 0 r m m 的紧圈。而转f 采川斟 2 ( b ) 所 1 结构的水融止删直流f i i 动机虽然币血1 表贴水磁体转f 无川a 流 h 动f l 麻用广 ( a ) 表贴式永磁体转子( b ) 内嵌式永磁体转子 图2 2 永磁无刷直流电动机转子结构形式 泛，但它却很适于高转速场合。值得注意的是，由于内嵌永磁体转f 的有效磁 场气隙随转子位置变化丽改变，其气隙磁感应强度也会随之变化。 2 1 2 永磁无刷直流电动机的工作原理【2 4 i 一般的直流电机由于电刷的换相，使得由永久磁钢产生的磁场与雹枢绕组 通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电动 机运转。永磁无刷直流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，即在一 个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通过的电流总量一匣定，以 产生恒定转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。 由于转子的气隙磁通为梯形波，由电机学原理可知，电枢的感应电动势亦 为梯形波，大小与转子磁通和转速成正比。b l d c 电机三相电椒绕组的每相电流 为1 2 0 。通电型的交流方波，反电动势为1 2 0 。梯形波。只要控制好逆变器各桥臂 功率器件的开关时刻就能满足上述要求。但是定子方波电流的通电时刻与感应 电动势波形、转子磁极位嚣有严格的对应关系，否则会产生较大的转矩脉动， 使平均转矩减小。 永磁无刷苣流电动机三相绕组主回路基本类型有三棚半控和二棚全控两 种。= i 相半控l u 路的特点是简f ，。个。叮控硅控制槲的通断，每个绕组f l 通 f 巳【3 的时i nj ，”外! ： 时问则处j 二断丌状态，没订掰到允分刷川，他碍运行 过程t f j 的f _ l 机的转豫波! 以较大，从t 。2 到+ r m 。所以般采川翻 + 惭1 ；的二 十日食控式f c i 路 构m 【嚷电蹄r h 乜动 l 的绕组勾星，肆联接， 幽2 3b l d c 三相全控式结构幽 图2 3 中的主电路是一个典型的电压型交一直交电路。逆变器提供等幅等 频5 - 2 6 k h z 调制波的对称交变矩形波。随着永磁体的n s 极交替交换，使位置 传感器产生相位差1 2 0 。的u 、v 、w 方波，逻辑控制单元通过判断位置传感器 信号而产生p w m 相序来控制t 1 、t 2 t 6 六个功率丌关器件的导通，使之工 作在两两通电，三相六状态方式：两两通电方式是指每一瞬间有两个功率管导 o o o 劁2 l 理怂的桕也势和相l 乜流波形 通每隔6 ( ) o 电角度换相次，每次换，l = e | 一个功率管，每个功率管每次导通1 2 0 。电角度。备功率管导通顺序依次为t 1 一t 4 导通、t 1 t 6 导通、t 3 一t 6 导通、r 3 t 2 导通、t 5 t 2 导通、i 5 t 4 导通。也就是浇将直流母线电压依次加在b l d c 的 定子绕组a + b 、a + c 、b + c ，b + a 、c + a 、c + b e ，在这种控制方式f ， 得到如图2 4 所示的理想的相电动势和电流波形。 2 2 永磁无刷直流电动机的数学模型【2 5 】。【2 6 】 由电机学理论可知，交流电机的当前有效相的电压方程为如f 所示的一阶 微分方程： 卟虬+ 薹掣掣晓t ， 其中，u ；为当前有效相的电压，r 为该相电阻，i x 为相电流，0 为转子位 置，i p u ( 0 ，f 。) 为当前有效相的总磁通，包括自感和互感磁s h n 为绕组相数。 对三相b l d c 电机来说，a 相的总磁通可表示为： 1 玑一l o ( 日，f 。) i 。+ 曲( 8 ，) - + l 。( 疗，f 。) f c + 九， ( 2 2 ) 上式中的第一项上。( 口，i 。) i 。代表了a 相绕组的自感磁通：第二项和第三项 则分别代表了a 相绕组和b 、c 相绕组的互感；上式第四项九，代表了转子上永 磁体产生的磁通。 由于系统所用的无刷